不同贮藏温度对甜瓜品质的影响及预测模型建立

郑贺云,姚 军,李 超,张翠环,耿新丽

(新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所, 新疆鄯善 838200)

0 引 言

【研究意义】甜瓜为葫芦科一年生蔓生植物,甜瓜是我国新疆的名优产品[1]。甜瓜含糖量高,富含蛋白质、维生素等营养物质[2],但是采摘时气温比较高,上市时间相对集中,由于含糖、水分都高,生理代谢旺盛,加快了果实的后熟衰老速度,容易被病原菌侵染致使果实腐烂严重,缩短了甜瓜的寿命,降低其使用和商品价值[3]。实时监控贮藏、流通过程中甜瓜的品质变化规律,构建货架期寿命预测模型,对减少甜瓜贮藏和流通过程中果实损失具有重要意义。【前人研究进展】近年来,随着各学科的互相渗透和交叉,Arrhenius方程作为描述化学基元反应的经典模型[4],结合各种参数及动力学方程被广泛应用到水果[5-6]、蔬菜[7-8]、水产品[9-10]、肉类[11-12]等各类农产品的货架预测中,并取得较好效果。【本研究切入点】果蔬在高温、高湿的贮藏条件下容易腐烂变质,而低温条件能够有效抑制果蔬采后衰老,保持品质,延长货架期,但是不适宜的低温也能引起冷害,加重果实表面变色与病斑发生。根据甜瓜品种的不同,最适贮藏温度差异显著,9～10℃为白兰瓜适宜的贮藏温度,4～5℃条件下贮藏会发生冷害[13];而86-1最适的贮藏温度为5℃[14];西州密17号和西州密25号最适的贮藏温度为6～8℃[15],6℃贮藏条件下能够较好地保持日本甜宝甜瓜果面的色泽和亮度[16]。目前适合黄梦脆贮藏的最适温度和货架期预测模型的研究均鲜见报道。需研究不同贮藏温度对甜瓜贮藏特性的影响。【拟解决的关键问题】研究黄梦脆甜瓜冷藏的适宜温度,比较不同贮藏温度下甜瓜质量损失率、病害指数、冷害率、呼吸速率、乙烯释放量、果实硬度和可溶性固形物的变化。并采用Arrhenius方程基于质量损失率、果实硬度的变化建立贮藏期预测模型,并给予验证评价,为黄梦脆贮藏及运输提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

以甜瓜品种黄梦脆为材料,由新疆农业科学院哈密瓜研究中心育成。甜瓜2019年10月1日购于新疆鄯善县鲁克沁镇,发泡网套瓜装箱,当天运回新疆维吾尔自治区葡萄瓜果研究所实验室,选择成熟度一致、大小一致,无机械损伤、无病虫害、留2～3 cm果柄的果实用于试验处理。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

用无损测糖仪测定可溶性固形物含量15%左右的甜瓜120个,分别放入4、6、8、10℃的低温恒温箱中,每个恒温箱放置30个果实。每7 d测定甜瓜可溶性固形物、果肉硬度、失重率、腐烂率等指标的变化。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 呼吸强度

呼吸强度利用红外CO2呼吸速率测定仪测定,将甜瓜果实和红外CO2呼吸速率测定仪同时放在有机玻璃罐中,加盖密封,1 h后读取数值。呼吸强度以每千克果实每分钟释放的CO2的量表示(ng/(kg·min))

1.2.2.2 乙烯释放量

每个处理选择1个果实分别放入有机玻璃罐中,利用便携式乙烯测定仪测定密封1 h后的乙烯含量。乙烯释放量(CH2ng/(kg·min))

1.2.2.3 果实硬度

果实的硬度用硬度计测定。将甜瓜果实从赤道切开,在果皮向内2.5 cm处用果实硬度计测定(kg/cm2),每个果实沿对称点测定10次。

1.2.2.4 可溶性固形物含量

用无损测糖仪(型号K-BA100R)对每组的果实的可溶性固形物含量进行测定,取其平均值(%)。

1.2.2.5 果实失重率

采用称重法计算果实失重率,每组选择30个果实,其计算公式为:失重率=(初始重量-贮藏后重量)/初始重量×100%。

(1)

1.2.2.6 冷害率及腐烂指数

根据甜瓜果实表面病斑大小作为判别果实腐烂级别的依据。按照果实腐烂面积大小将果实腐烂级别分为5个等级[17]:

零级:果实新鲜,完好无损;一级:腐烂面积占整果的5%～10%;二级:腐烂面积占整果的10%～15%;三级:腐烂面积占整果的15%～20%;四级:腐烂面积占整果的20%及以上。

腐烂指数(%)=∑[(腐烂级别×本级果实数)/(总果实数×最高级别)]×100[17]。

(2)

腐烂率(%)=(腐烂果数/总果实数)×100[17]。

(3)

1.2.3 货架期模型的构建

1.2.3.1 动力学模型的建立

从动力学变化的角度对食品的品质(化学、物理和微生物)变化分析,果蔬中品质指标C的动力学反应多采用零级或者一级反应描述[18-20]。

零级反应模型为:Ct=C0+kt.

(4)

一级反应模型为:lnCt=lnC0-kt.

(5)

式中,t为货架时间(d);Ct为货架时间为t时的品质指标值;C0为品质指标的初始值;k为化学反应速率常数。

1.2.3.2 品质变化预测模型的建立[5,7,8]

化学基元反应的经典模型Arrhenius方程,可描述温度与化学反应速率的关系。

其公式为k=k0exp(-Ea/RT).

(6)

式中,k:化学反应的速率常数;Ea:反应的活化能/(kJ/mol);T:绝对温度/K;k0:指前因子;R:气体常数(8.314 J/(mol·K))。

lnk与1/T呈线性关系,直线斜率为-Ea/R,在Y轴上截距为lnk0。求得4、6、8和10℃各不同贮藏温度下各指标的速率常数k后,以lnk-1/T做图可以计算出活化能Ea和指前因子k0。

将(5)式取对数可得lnk=-Ea/RT+lnk0.

(7)

通过对lnk、1/T线性拟合,依据直线的斜率和截距分别计算反应活化能Ea和指前因子k0值,将(6)式带入(3)、(4)式可得到甜瓜在零级和一级反应的货架期预测模型:

零级反应货架期预测模型:SL0=(C-C0)/k0exp(-Ea/RT).

(8)

一级反应货架期预测模型:SL1=ln(C/C0)/k0exp(-Ea/RT).

(9)

式中,SL0:零级反应下甜瓜的货架期预测模型;SL1:一级反应下甜瓜的货架期预测模型;C0:品质指标的起始值;C:贮藏td时品质指标终止值。

1.3 数据处理

利用Excel2003对每个指标的测定数据进行初步整理,方差分析(P<0.05)采用SPSS17.0数据分析软件完成,并利用Origin8.5绘图并拟合曲线。

2 结果与分析

2.1 甜瓜货架期间品质指标的变化与动力学

2.1.1 贮藏温度对甜瓜外观质量的影响

研究表明,黄梦脆果实在4和6℃贮藏条件下,果实表面发生冷害,表现最为突出的就是果皮褐变、萎蔫,分别在14和21 d时就失去了外观商品价值;8和10℃下贮藏的黄梦脆果实基本保持了其固有的风味,但10℃下的果实果面色泽保持相对较好。

2.1.2 贮藏温度对甜瓜冷害和腐烂的影响

研究表明,随着贮藏时间的增加,各处理的果实冷害程度和腐烂指数不断增大,且果面褐变率存在明显差异。贮藏14 d时,各处理果实表面出现不同程度的褐变,4、6、8和10℃条件的果实果面褐变率分别达到48.15%、25.93%、11.11%和7.41%,贮藏到21 d时4℃条件下没有被病原菌侵染的病斑,但是果实表面褐变达到80.95%,比10℃条件下增长47.05%,已失去商品价值;6℃条件下贮藏的甜瓜果实表面褐变率也高达57.14%,也基本失去了商品价值;贮藏28 d时,8和10℃的腐烂率分别为25.00%和26.67%。低温贮藏能够抑制病原菌的侵染,但是温度过低会使果实出现冷害,使果面发生萎蔫、褐变,导致果实失去商品价值。表1

表1 不同温度下贮藏甜瓜冷害、腐烂变化

2.1.3 贮藏温度对甜瓜呼吸速率的影响

研究表明,4℃贮藏条件下的果实呼吸强度的变化相对平缓,其它3个贮藏温度下果实的呼吸变化趋势整体呈先上升后下降,有明显的呼吸高峰出现。6和8℃的果实贮藏16 d时呼吸达到最高,分别为4.84和3.70 ng/(kg·min),10℃条件下果实的呼吸速率在18 d时达到高峰,呼吸速率为5.63 ng/(kg·min)。

4℃的平均呼吸强度最低为3.80 ng/(kg·min),极显著低于其它处理(P<0.01),6℃与其它处理之间差异极显著(P<0.05),而8和10℃之间差异不显著(P>0.05)。图1

图1 不同贮藏温度下甜瓜呼吸强度变化

2.1.4 贮藏温度对甜瓜乙烯释放的影响

研究表明,乙烯是果蔬的内源激素,能够催化果实成熟,加速果实衰,随着乙烯的释放,果实也逐渐开始衰老。黄梦脆甜瓜贮藏过程中各处理的乙烯释放量明显,并且出现乙烯释放高峰,乙烯释放与贮藏温度密切相关。在4～10℃的贮藏温度范围内,贮藏前期(0～14 d)各处理的乙烯释放量都处于一个相对平缓状态,但是到贮藏第14 d时各处理的乙烯释放量迅速增高,且4℃贮藏的果实乙烯释放量最高,达到0.010 51 ng/(kg·min)而10℃条件下贮藏的果实乙烯释放量相对较低0.005 704 ng/(kg·min),贮藏14 d以后,各处理组的果实乙烯释放量又处于平缓状态。图2

图2 不同贮藏温度下甜瓜乙烯释放量变化

2.1.5 贮藏温度对甜瓜可溶性固形物含量的影响

研究表明,随着贮藏天数的增加,各处理的黄梦脆甜瓜果实的可溶性固形物含量都呈上升趋势,差异均不显著(P>0.05)。贮藏21 d前各处理果实可溶性固形物的变化幅度不明显,4、6、8和10℃条件分别增加1.41%、1.42%、3.29%、3.26%;在贮藏第28 d时,果实可溶性糖的含量分别增加6.74%、6.99%、8.88%、7.07%。图3

图3 不同贮藏温度下甜瓜可溶性固形物含量变化

2.1.6 贮藏温度对甜瓜失重率的影响

研究表明,各处理组的甜瓜质量损失率均随温度和时间的增加而不断增加,温度越高质量损失率就越大,但各处理差异性不显著(P>0.5)。贮藏14 d之前失重率较小,4、6、8和10℃条件下贮藏的甜瓜失重率分别为2.60%、2.60%、2.58%、2.65%,贮藏28d时各处理的甜瓜失重率分别达到5.25%、5.34%、5.53%、5.70%。图4

图4 不同贮藏温度下甜瓜失重率变化

2.1.7 贮藏温度对甜瓜果肉硬度的影响

研究表明,黄梦脆甜瓜果实的硬度,随着贮藏天数的增加呈下降趋势,各处理的差异不显著(P>0.05)。贮藏0～14 d各处理的果实硬度下降较为缓慢,贮藏第14 d时4、6、8和10℃下果肉硬度分别下降9.59%、7.39%、3.61%、5.02%,4℃和8℃条件下果实产生了冷害,促使果肉变软。14 d以后各处理的果实硬度急剧下降,到贮藏结束第28 d时,果实硬度分别为2.005、1.991、1.952和1.922 kg/cm2,下降速率为24.53%、25.07%、26.55%、27.68%,分别是14 d时的2.56倍、3.39倍、7.35倍、5.51倍。图5

图5 不同贮藏温度下甜瓜硬度变化

2.2 动力学及货架期模型的预测

2.2.1 动力学

研究表明,零级动力学失重率、硬度的回归决定系数ΣR2分别为3.868 9、3.699 7,两者的一级动力学回归决定系数ΣR2分别为3.858 9、3.637 5,零级动力学的ΣR2都较一级动力学的大,其更有拟合优势,选用零级动力学建立甜瓜失重率和果肉硬度的动力学变化预测模型。表1

2.2.2 基于失重率和硬度建立甜瓜货架期的预测模型

研究表明,得到在不同贮藏温度下不同指标的回归方程和反应速率常数,以1/T为横坐标,lnk为纵坐标作图,其中硬度以ln(-k)为纵坐标。指前因子k0、活化能Ea等模型参数。表2

表2 零级和一级动力学回归速率常数k及决定系数R2

将表2中的结果带入公式(7)、(8)可得甜瓜的失重率和果肉硬度的动力学预测模型分别为

SL失重=CWL/(17.937 5 ×e(-1 280/T)).

(10)

SL硬度=(C硬度-2.657 2)/(193.45×e(-1 836/T)).

(11)

式中,C失重为甜瓜到达货架期终点时失重率的测定值;C硬度为甜瓜到达货架期终点时硬度的测定值;SL失重为甜瓜失重率货架期预测模型;SL硬度为甜瓜硬度货架期预测模型。表3

表3 品质指标货架期模型参数

2.2.3 甜瓜贮藏期预测模型的验证

研究表明,失重率模型的预测值在10℃时相对误差较大(13.742%),但4、6和8℃条件下的相对误差均小于10%,而硬度值模型的预测值在8和10℃下相对误差较小,分别为2.846%、4.339%,但是4和6℃条件下相对误差较大,货架期预测误差在10%之内具有良好的预测精度,构建的失重率和硬度模型在一定的条件下能够较好的预测甜瓜的货架期,由失重率构建的货架期模型平均相对误差小于10%,比硬度值模型可准确预测甜瓜货架期寿命。表4

表4 不同温度下品质指标的实测值与预测值

3 讨 论

3.1甜瓜在贮藏运输过程中影响其品质的关键因素就是温度,其对果实保鲜、贮藏期的延长以及果实腐烂率的降低都起着至关重要的作用。贮藏温度偏高能加快果实的代谢和后熟速率,而低温贮藏虽然可以抑制果蔬采后的衰老,保持果实品质,延长果实的贮藏时间,但是不适当的低温会造成果实产生冷害。试验结果表明,黄梦脆在4和6℃条件下呼吸速率、失重率、硬度下降速率都低于8和10℃,但是果实发生冷害的程度较高,果面出现大面积褐斑,分别在贮藏14和21 d时就完全失去商品价值,8和10℃贮藏条件下果实基本保持了其固有的风味,果实果面色泽保持相对较好。与早黄蜜、白兰瓜的适宜的贮藏温度相一致,并不是贮藏温度越低越能保持果实品质,甜瓜最适的贮藏温度范围较大,跟品种和采摘成熟度都有较为密切的关系。

3.2大多数果蔬贮藏加工中,品质损失的动力学变化与时间关系表现为零级或一级的化学反应方程式。质量损失、萎蔫和果实硬度下降是甜瓜采后贮藏过程中主要的品质劣变表现之一,新鲜的果实含水量较高、营养丰富、贮藏一段时间后由于蒸腾作用,大量水分散失导致果实表面萎蔫并失去光泽,降低了果实的新鲜程度,影响其商品价值。试验通过监测贮藏期间不同温度条件下黄梦脆果实失重率和果肉硬度的变化,建立了甜瓜品质劣变动力学模型及贮藏期预测模型。结果表明,甜瓜采后果实失重率、果肉硬度与贮藏温度和时间之间都符合零级动力学反应,失重率预测的贮藏期决定系数在0.90以上,模型拟合精度较高。研究仅建立了以温度为变量的甜瓜贮藏期预测模型,还具有一定的局限性,为了更准确地预测其贮藏期,还需研究多变量下贮藏期的预测,建立加权模型。

4 结 论

4.14和6℃条件下能够延缓甜瓜的失重率、抑制呼吸强度,贮藏前期能够降低果肉硬度的下降速率,但是分别在贮藏14和21 d时两个温度下的果实都出现严重的冷害,导致果皮颜色有不同程度的冷害褐斑,果实萎蔫使其失去商品价值;而8和10℃条件下,果实冷害率较低、发病率相对较低,果实品质保存相对较好,而10℃条件下黄梦脆甜瓜的感官品质保持较好,该条件下甜瓜的表皮色泽和亮度保持相对较好,好果率也相对较高,是较为适宜的贮藏温度。

4.2黄梦脆甜瓜失重率和果实硬度指标符合零级动力学模型,并具有较高的拟合精度,基于黄梦脆甜瓜果实质量的失重率、果实硬度的变化采用动力学模型结合经典的Arrhenius方程,建立了4、6、8和10℃贮藏条件下甜瓜果实品质下降的动力学模型和贮藏时间的预测模型,并对预测模型的精准度进行了验证评估,基于失重率和果实硬度建立的货架期模型的决定系数分别为0.926 4和0.850 8,货架期预测相对误差分别为8.775和11.651,以失重率预测的贮藏期精度相对较高。